上海世博会照明科技的创新设计与应用

郝洛西 杨 秀

(同济大学高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092)

1 前言

历届世博会最令人叹为观止的无不是那些具有创新理念的现代科技新成果，其中不乏许多科技成果也正是通过世博会被世人第一次认识，并逐渐走进人们的生活。中国2010年上海世博会已经成功举办，在过去的半年时间里，世博会以其非凡的创意设计以及对技术理念极富魅力的演绎，给参观者以前所未有的视觉体验，让参观者充分享受照明科技带给人类的创意生活。同时，世博会的多项照明科技也必将引领未来城市照明步入低碳照明时代。

本文尝试通过对在上海世博会中的各项照明科技的创新设计与应用的总结和回顾，挖掘各项创意设计和精彩视觉效果背后的照明科技，把众多成功的经验案例再次展示出来，为未来城市的夜景照明建设发展提供借鉴，以期改善和提高人类的生活环境品质，延续“城市，让生活更美好”这一不变的主题。

2 世博会与科技

科学技术的根源可以追索到古代的美索不达米亚、埃及、中国、印度等国家，几千年来的技术与文明推动着人类缓慢地向前发展。然而，从18世纪末的第一次工业革命开始的短短两百多年间里，科学技术发展的日新月异，快速推动着人类文明的变革与进步。而世博会也正是在伴随着这个时期各个国家所取得的丰硕科技成果的基础上应运而生，它成为了展示人类文明发展成果的重大舞台。

从1851年伦敦第一届国际性的“万国工业博览会”开始到2010年的上海世博会的159年历史里，世博会正日益成为全球最重要的经济、科技和文化领域的盛会，担负着传播人类的智慧成果、引领未来生活理念的社会使命。世博会先后促进了蒸汽机、电灯电话、电视机与摄影机、电报与无线电话、激光、人工智能与机器人和计算机网络等等重大科技发明的传播和应用，这无疑使世博会成为科技创新展示和交流得天独厚的平台和渠道。每一届成功、精彩、难忘的世博会都承载着厚重的科技内涵，世博会的历史也正是一部彰显人类文明和科技创新的演绎史。

3 世博会照明新技术的创新应用

继1866年西门子发明发电机之后，1876年贝尔发明了电话，1879年爱迪生发明电灯，这三大发明照亮了人类实现电气化的道路，也促进了照明科技的发展。从法国巴黎世博会开始，到美国旧金山巴拿马太平洋世博会，先后应用了“白炽灯”、“荧光灯”等光源来照亮与装点世博会。这不仅使世博会成功延续到了日落之后，且还通过照明的规划与设计，使得世博会更加精彩和亮丽。而2010年中国上海世博会则让人类体验到了半导体照明的魅力，首次形成了目前世界上规模最大的LED照明技术的集成应用。

2010年上海世博会与此前数届世博会一样，通过各种照明新技术来展示各个主题。各场馆通过设计的创新以及科技的亮点来展示企业、城市乃至国家的技术实力与文化特色。无论是对展品的展示与体验，还是场馆建筑的设计、材料的选择与建造，或是公共环境欢乐气氛的营造，照明及其相关技术的创新应用已成为了最重要的表现手段之一。创意的巧妙构思，技术的创新应用，恰如其分地演绎了“用技术的手段展示艺术的效果”的照明科技真谛。

3.1 新材料的创新应用

世博场馆不只是一个单纯的展览类建筑，它也同样是展示内容的重要组成部分，而建筑材料的创新应用则是其中一个重要的出发点。近来有许多建筑师热衷于对光线具有独特传输特性的新材料，作为建筑设计中的创意元素和技术亮点。这些材料可以改变光线的传输方向，对人工光或者自然光进行扩散、透射、折射、反射等，使得整个设计工作更具挑战性和艺术性。

从材料对于光线传输的影响以及呈现的效果方面来看，可将材料分为透光材料与非透光材料。本次世博会建筑中采用的透光材料主要有白色亚克力材料、彩虹板、ETFE膜、PTFE膜、光栅板、由回收光盘做成的可再生高分子材料、透光混凝土、LED玻璃、PVC膜、PC管道、阳光板以及一些织物材料等等。在德国馆中应用了LED玻璃，它是在玻璃之间夹入LED芯片，采用透明的电路，由此产生了发光点悬浮在玻璃中的效果。在50米长的“动感隧道”展廊两侧安装有9000个发光LED点的LED玻璃 (图1)，并在进入室内展厅的入口处构成了“和谐都市”的字样。另外，德国馆的展示中还运用了光栅板 (图4)，它是结合数码科技与传统印刷的技术而做成的，能在同一胶片上通过调节视看角度而显现不同的内容或特殊的视觉效果。该场馆中应用的光栅板可以从不同角度视看，呈现出三种不同的文字内容。上海企业联合馆的外立面是由高分子塑料管构成的立体建筑表皮。而这些高分子塑料管是由回收的废弃光盘做成的聚碳酸酯塑料颗粒所制成 (图2)。在每一根竖管中按照一定的间距嵌入LED，形成了一张带有LED点阵的立体建筑外表皮，这种材料对光线具有很好的扩散和透射作用，降低了LED表面亮度的同时也创造出了柔和的三维视觉效果。意大利馆建筑外墙采用了透光混凝土(图3)，这种可透光的混凝土是由4%的光学纤维和96%的混凝土配比而成，且两个表面之间的纤维是以矩阵的方式平行放置，是一种透光不透视的材料。白天建筑室内可以减少人工照明并增加趣味性，而夜间则整个建筑呈现出通体发亮的视觉效果。

图1 德国馆的LED玻璃

图2 上海企业联合馆的由回收光盘做成的可再生高分子材料

图3 意大利馆的透光混凝土

非透光材料主要有 UPMProFi木塑复合材料、藤板材料、木条与镂空复合板、竹片、砖、石板、秸秆压缩板、附有镭射智能膜的金属板材、钢板网、锈蚀处理的耐候钢板、铝板、铜板和GRC混凝土等等。主题馆外墙采用了镂空的金属板材，开口尺寸自上而下逐渐变大的方形孔洞，形成了建筑表面的肌理，并在背后安装LED灯具，形成了一片带有照明效果的建筑外墙 (图5)。法国馆建筑由斜向交叉的白色GRC混凝土网格构成 (图6)，在交叉点的上方放置有用灯具模拟的“蜡烛”灯，利用这种材料构成的形式和它表面的漫射特点，表达了“感性城市”的浪漫情调。芬兰馆外墙是由无数白色鱼鳞状片构成，这些白色鳞片通过不同角度折射出光线，这种外墙材料是一种叫做 UPMProFi的新型高科技环保材料，利用废纸和塑料特殊加工而成的复合板，移动和拆卸也都很方便，全部可以回收再利用。民营企业联合馆外墙材料采用的是附有镭射智能膜的金属板材，这种材料具有特殊的光学特征，可随着观看角度以及太阳照射方位的变化，产生不同的视觉效果，呈现出丰富的色彩变化 (图7)。

图4 德国馆中采用可以显示三种内容的光栅板

图5 主题馆外墙的镂空金属板

3.2 半导体照明技术的集成应用

图6 法国馆的GRC混凝土

半导体 (LED)照明是继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后照明光源的又一次革命。近年来半导体照明技术的迅速崛起，促进了LED在建筑中的应用，给创新设计带来更大的空间。LED元器件的小尺寸、多色彩、可控性、长寿命等优点，以及现代人对光线的审美诉求，在情景照明中可谓得天独厚。半导体技术应用于照明将主要有三个发展方向:(1)传统光源的替代品;(2)个性化的照明灯具与产品;(3)建筑化设计与应用。在本届世博会中，世博场馆的半导体照明技术应用也主要集中在这三个方面。

图7 民营企业联合附有镭射智能膜的金属板材

3.2.1 传统光源的替代品

由于半导体照明技术的快速发展，光效的不断提高、散热技术不断完善、驱动电路设计更加合理，其必将替代传统灯具进入通用照明领域。但回顾当前半导体照明技术的现状，LED替代传统灯具还主要集中在景观性照明领域，真正走入通用照明领域还需要一个过程。但本次世博会也有所尝试，在世博中心功能性照明中应用了大功率LED功能性照明。一个建筑面积达1800m2高度为14m的高规格会议厅的功能性照明全部使用了半导体照明技术，共安装有2000多套LED条状灯具，每套灯具内都安装有2700K和6500K色温的LED光源，通过照明控制实现从低色温到高色温的变化，营造出不同的会议气氛，以满足不同类型会议的需要。

3.2.2 个性化照明灯具与产品

图8 主题馆室外灯柱

基于LED光源的体积小、色彩丰富、控制简单等优点，使得以LED为光源的灯具更具形态和功能方面的个性化。主题馆外的不规则多面体的LED灯柱 (图8)、澳大利亚馆入口处的装饰性吊灯 (图9)等等各具特色，另外，世博文化中心室外半导体步道灯具也是其中一例 (图10)，该户外灯具“飞碟”的造型构思来源于文化中心的建筑形态，很好地烘托出了文化中心场地的整体氛围。灯具内部的LED光源垂直于水平面布置，并排列呈环形向内出光，灯具表面出光口采用白色聚碳酸酯材料，减低了灯具出光口的亮度，使得出光更加柔和，避免了LED灯具常见的眩光问题。还有位于世博园浦西片区的景观装饰型火焰灯 (图11)，灯具外观造型模拟造船用的气焊枪头，灯具总高13m，光源由近300个1W LED组成的RGB整列，外加半透明的PC灯罩，并通过程序来控制光源颜色的转换，以达到火焰的跳动效果。

图9 澳大利亚馆入口装饰灯

图10 世博文化中心“飞碟”灯

3.2.3 半导体照明的建筑化设计与应用

半导体照明的建筑化途径主要表现在与建筑构件的一体化和媒体界面的模式两个方面。LED光源的小体积特征，较容易实现照明灯具与建筑构件的整合，从而使照明灯具与建筑构件融为一体，消除暴露的灯具在空间视觉内的干扰。另外，随着半导体技术的快速崛起，特别是其在数字化与显示方面的独特优势，使得基于LED的数字媒体更容易实现。LED光源色彩的丰富性、显示的数字化及控制的模块化等特点是传统媒体与显示技术所无法比拟的。基于LED的数字媒体界面是一种媒体艺术传播的载体，它通过软件程序的数字化编排和智能照明控制，以及与LED显示模块的结合，对图形、视频等视觉内容进行显示和表达，更具艺术性和技术性。

图11 浦西沿江火焰灯

世博会的大量场馆建筑的照明都实现了照明一体化设计，同时配合一定的数字媒体界面，展示动态的视觉效果。如英国馆将LED嵌入到亚克力棒中，瑞士馆建筑表皮的LED智能帷幕，石油馆、电信信息馆、国家电网馆等场馆将LED灯具衬在PC材料正后方，香港馆、波兰馆、韩国馆、比利时馆、爱尔兰馆、俄罗斯馆等场馆建筑在表皮材料之后进行LED灯具投光而形成光影效果。而世博轴则是直接把LED灯具安装在世博轴阳光谷结构构件的外侧(图12)，共计采用了8万多套LED灯具，通过大规模LED分布式控制系统——LED BusY总线技术，对阳光谷每个钢构节点处的全彩全色温LED星光灯以及整个大范围的景观区域各类灯具实施同步控制，其延时小于25毫秒，并结合LED的实时媒体播放技术和三维曲面显示图像技术，实现了良好的夜间效果。在世博文化中心西、南两个入口大厅的带有“光介质层”的LED数字媒体艺术是一个自主创新的亮点 (见图13)。它不同于现有的媒体界面，该设计采用低像素、大间距LED为基层，并增加一个中间构造层次—— “光介质层”以及表面的成像材料，共计三个构造层次。设计中克服LED灯点直接暴露于屏幕表面、表面亮度高、容易产生眩光等缺点，且打破了平面媒体LED显示屏单一的界面模式，使屏幕造价更经济，制造工艺和系统控制更便捷，显示内容更丰富，能创造出更加富有艺术气息的视觉效果。

图12 世博轴阳光谷一体化安装的LED灯具

图13 世博文化中心入口数字煤体界面

3.3 展示与体验的照明技术

世博会是人类展示技术实力与文化特色一个盛会，是人类智慧成果的交流平台，场馆的设计与建设始终围绕着如何展示各项科技与文明成果而展开。在本次世博会上出现了多种的展示与体验方式，如平面的二维展示与投影展示、实物场景与视觉的三维感受、灯光秀、基于声学与机械学原理的互动装置、基于空气动力学的浮球矩阵、IMAX巨幕、720度沉浸式体验、身临其境的四维电影体验以及网络虚拟的数字展示与体验等等。

开闭幕式上的空气动力浮球表演、沙特馆的IMAX巨幕电影、石油馆的4D电影、民营企业联合馆1020颗上下飞舞的“三维浮球矩阵”和庆典广场上的压力感应LED地砖等等的展示与体验技术为世博会创造了诸多亮点。还有德国馆最具互动性的带有磁力感应的“金属球”互动装置 (图14)，这个球直径达3米，由40万颗LED构成。“金属球”效果的营造利用了机械和声学原理以及半导体照明的光学特征。在参观者热情的掌声和呼喊声中，这颗悬垂的金属球即会摆动并发光显影，而且掌声和呼喊声越热烈，金属球摆动的幅度越大、旋转得也越快。国家电网馆的“魔盒”是一个六面体全屏幕空间，由112块LED模块组成，包围的720度幻象空间给参观者带来“沉浸式”的观赏体验 (图15)。在全屏幕空间“魔盒”里，LED屏幕的物理尺度在视觉上被无限扩展到更深的虚拟空间中，产生了一种更广更独特的影像。罗阿大区馆为城市最佳实践区设计的灯光秀 (图16)，它是把人们的互动参与、情景气氛的营造、景观灯饰的装扮、动态灯光的表演等等综合起来，是一种注重视觉冲击力的展示艺术，并借助各种照明技术来实现，如LED照明技术、照明控制技术、数字媒体技术、实时感应技术等等。灯光秀运用不同灯光颜色组合，为一些展馆的外立面设计特别的灯光图案，并配以曼妙的音乐，为夜晚的世博园送上全方位的视听盛宴。网上世博会是本次世博会所特有的展示与体验方式，它通过一个专门开发的NCITY三维在线展示引擎平台，以虚拟与现实相结合的方式将世博会现场展示到互联网上。其中应用了三维数字平台、三维虚拟现实、多媒体等技术，实现在普通宽带环境下流畅的三维体验。全球网民足不出户即可漫游世博会及各展馆。

图14 德国馆的“金属球”互动装置

图15 国家电网馆沉浸式体验的“魔盒”

图16 城市最佳实践区的灯光秀

除了上述提到的新材料技术、半导体照明技术、展示与体验的照明技术等在本次世博会上大放光彩，还需众多其他相关新技术与之配合。大规模的实时照明控制技术与互动情景式照明控制技术、全息技术应用、太阳能光电技术、低辐射涂料与热变色涂料等的技术，都为保障最终的视觉效果发挥着不可或缺的作用。

4 总结与展望

历时184天的2010年中国上海世博会业已闭幕，其中各具创意的展览展示、精彩纷呈的文化活动、智慧迭出的论坛研讨让我们充分享受了一届成功、精彩、难忘的世博会，与此同时，我们也深深地认识到了这些精彩背后的创新理念与科学技术的力量。而照明科技作为其中一项重要的技术内容，在世博会中发挥着举足轻重的作用，它不但将引领未来城市照明的新方向，还将促进未来照明产业的新发展。世博高峰论坛上宣读的 《上海宣言》是作为本次人类大事件活动的总结，汇集各国城市发展的宝贵经验和人类探索城市发展的共同智慧，它必将对“世博后”城市的发展和人类的生产和生活方式产生深远影响。上海世博会谢幕了，但也意味着一个新的开始。

［1］上海宣言.2010年10月31日

［2］郝洛西，杨秀.世博之光:从技术到艺术.时代建筑，2010，3:50～55

［3］林怡.2010年上海世博会主题馆的设计营建.时代建筑，2010，3:60～65

［4］郝洛西，林怡，胡国剑，杨秀，吴维聪.世博文化中心照明设计.照明设计，2010，39(3):38～41

［5］郝洛西，林怡，胡国剑，李勋栋，杨秀.世博园区夜景照明总体规划.照明设计，2010，39(3):30～33

［6］中国照明电器协会，上海市照明学会.2010上海世博会照明应用论坛论文集

［7］中国2010年上海世博会官方网站www.expo2010.cn